Drops, vesicles and red blood cells : deformability and behavior under flow

• Auteur / Autrice : Magalie Faivre
• Direction : Brigitte Pépin-Donat, Howard A. Stone, Annie Viallat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformabilité érythrocytaire

Érythrocytes

Surfactants

Gouttes

Microfluidique

Mots clés libres

Vésicule complexe

NiPAm

Résumé

Les gouttes, les vésicules et les globules rouges sont des objets mous et déformables, structurés et de taille micrométrique (de 1 à 100 microns de diamètre). L'objectif de ce travail est de déterminer la participation de chaque paramètre mécanique des objets étudiés (tension de surface, élasticité, viscosité. . . ) à partir de leur comportement sous écoulement. Nous avons choisi de nous intéresser tout particulierement à la réponse de ces objets sous écoulement confiné (ou semi-confiné) en utilisant une approche de type « microfluidique ». La production de tensio-actif à la surface d'une goutte en mouvement influence sa forme et sa dynamique. L'étude détaille notamment les effets de la concentration et de la géométrie. La mise au point de vésicules aux propriétés complexes modulables par l'action de la température est exposée. Nous avons aussi étudié l'impact de la transition sol/gel de la membrane lipidique de vésicules DMPC sur leur comportement sous champs externes (pression osmotique, écoulement. . . ). Dans le cas des globules rouges soumis à un cisaillement, deux types de mouvements sont connus : un mouvement de bascule et un mouvement de chenille de char. Nous avons mis en évidence l'existence d'un nouveau régime d'oscillations superposé au mouvement de chenille de char. Notre étude a également porté sur le comportement de globules rouges s'écoulant dans des canaux de dimension comparable a leur taille. Un diagramme de forme a été établi en fonction de la vitesse de l'objet, de la viscosité externe et de la section du capillaire. Nous avons développé un système mesurant la chute de pression associée au passage d'une cellule unique dans un canal de même dimension. Cette mesure permet notament de corréler le signal obtenu avec les propriétés physiques et mécaniques des objets étudiés. Nous avons illustré cette approche avec des globules blancs et des globules rouges. Nous nous sommes enfin intéressés au cas d'une suspension concentrée de cellules sanguines dans un écoulement pathologique: la thrombose.

Drops, vesicles and red blood cells are soft, deformable, structured and micron-size (1-100 microns in diameter) objects. This objective of this work is the determination of the participation of each mechanical property of the objects studied (surface tension, elasticity, viscosity. . . ) from their behavior under flow. We looked more precisely at the response of these objects under confined (or semi-confined) flow using a microfluidic approach. The production of surfactant at the interface of a drop flowing influences its shape and its dynamics. The study details among other things, the effects of surfactant concentration and device geometry. The production of vesicles with complex mechanical properties tunable by action of the temperature is presented. We also investigate the impact of the sol/gel transition of DMPC lipid membrane on their behavior under external strss (osmotic pressure, flow. . . ) In the case of red blood cells under shear flow, two types of motion are known : the tumbling motion and the tank-treading motion. We highlight a new feature of the tank-treading motion, the particle oscillates periodically. We also studied the behavior of red blood cells flowing in close-fitting capillaries. We establish a shape diagram versus the speed of the object, the external viscosity and the dimensions of the capillary. We have developed a system able to measure the pressure drop associated to the flow of a unique cell in a close fitting channel. This measurement allows the correlation of the signal obtained with the mechanical properties of the objects. We illustrate this approach with red and white blood cells. Finally, we studied the pathologic case of the thrombosis with a concentrated suspension of cells.